I årtier har fysikere forsøgt at skabe en model af kvantetyngdekraft, der ville forene kvante
Men nogle af modellerne forudsiger effektensom kan undersøges i laboratoriet: en lille krænkelse af et grundlæggende kvanteprincip kendt som Pauli udelukkelsesprincippet. Det bestemmer for eksempel, hvordan elektroner er arrangeret i atomer. Det er præcis, hvad medarbejderne i INFNs underjordiske laboratorieprojekt under Gran Sasso-bjergene i Italien arbejder på. Deres mål er at lede efter tegn på stråling forårsaget af en sådan krænkelse, i form af atomare overgange forbudt af Pauli-princippet.
I to artikler offentliggjort i tidsskrifterne Physical Review Letters og Physical Review D beskrev forskerne, om det lykkedes.
Hvordan virker Pauli-princippet?
I skolens kemitimer lærer de at elektronerkun arrangeret i atomer på en bestemt måde. Det viser sig, at det skyldes Paulis udelukkelsesprincippet. I midten af et atom er atomkernen, omgivet af orbitaler med elektroner. Den første orbital indeholder for eksempel kun to elektroner.
Pauli udelukkelsesprincippet, formuleretDen østrigske fysiker Wolfang Pauli sagde i 1925, at ikke to elektroner kan have samme kvantetilstand. Så i den første orbital af et atom kan to elektroner have modsat rettede spins. Denne kvante iboende egenskab er normalt afbildet som en op eller ned rotationsakse, selvom elektronen ikke har en akse i bogstavelig forstand.
Kvantegravitationel fotonrace. Foto: NASA
I bund og grund betyder dette, at materien alene ikke kanpassere gennem en anden. Som videnskabsmændene forklarer, virker dette overalt - "du, mig, vi er baseret på Pauli udelukkelsesprincippet." Det enkleste eksempel på denne lov er det faktum, at folk ikke kan gå gennem mure.
Dette princip gælder for alle elementærepartikler, der tilhører samme familie som elektroner og er kendt som fermioner. Det var matematisk afledt af en grundlæggende sætning kendt som spinstatistiksætningen. Pauli udelukkelsesprincippet blev også bekræftet eksperimentelt. Indtil nu blev dette antaget at være sandt for alle fermioner. Pauli udelukkelsesprincippet er et af grundprincipperne i standardmodellen for partikelfysik.
Overtrædelse af princippet
Men ifølge nogle spekulative teorier,der går ud over standardmodellen, kan dette princip overtrædes. I årtier har fysikere ledt efter en grundlæggende teori om virkeligheden. Standardmodellen er fremragende til at forklare partikeladfærd, interaktioner og kvanteprocesser på mikroniveau. Det inkluderer dog ikke tyngdekraften.
Så fysikere forsøger at udvikle en forenendeteorien om kvantetyngdekraften, hvoraf nogle versioner forudsiger, at forskellige egenskaber, der ligger til grund for standardmodellen, såsom Pauli-udelukkelsesprincippet, kan krænkes under ekstreme omstændigheder.
For eksempel er mange af disse lidelser naturligeforekomme i de såkaldte ikke-kommutative teorier og modeller for kvantetyngdekraften. En af de mest populære er strengteori. Hun beskriver fundamentale partikler som små vibrerende filamenter af energi i multidimensionelle rum. Nogle modeller af strengteori forudsiger også en sådan krænkelse.
Besvær med at verificere
Det antages traditionelt, at sådanne forudsigelsersvært at tjekke. Kvantetyngdekraften er kun "organisk" for steder, hvor en enorm mængde tyngdekraft er koncentreret i et lille rum. Det enkleste eksempel er midten af et sort hul, universets fødested.
Forfatterne til den nye undersøgelse kom dog med et alternativ. Effekten af at overtræde udelukkelsesprincippet og spinstatistiksætningen kan påvises i laboratorieforsøg på Jorden.
Dybt under Gran Sasso-bjergene, lige uden for byenL'Aquila i Italien arbejder fysikere på VIP-2-eksperimentet for at overtræde Pauli-princippet. Det specielle apparat er baseret på en tyk blok af romersk bly, ved siden af hvilken der er en germaniumdetektor. Den opfanger små tegn på stråling, der kommer fra metallet.
Underjordisk laboratorium med lav radioaktivitet i Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Tanken er, at hvis forbudsprincippetPauli vil blive krænket, inde i ledningen vil der være en "forbudt" atomovergang, der genererer røntgenstråler med et tydeligt energisignal. Det vil blive opfanget af en germaniumdetektor.
Rum stilhed
Laboratoriet var specielt placeret under jorden,fordi strålingen fra en sådan proces ville være så svag, at den ellers ville blive overdøvet af den generelle baggrundsstråling fra kosmiske stråler på Jorden. Som italienske videnskabsmænd forklarer, giver deres laboratorium den såkaldte kosmiske stilhed - Mount Gran Sasso reducerer strømmen af kosmiske stråler med en million gange. Dette alene var dog ikke nok.
Frekvensen af signalet fysikerne leder efter erkun en eller to begivenheder om dagen eller mindre. Det betyder, at de materialer, der bruges i forsøget, selv skal være "radiorene" - de må ikke afgive noget. Og udstyret skal være skærmet mod stråling fra sten. På moderne acceleratorer er dette umuligt, skriver videnskabsmænd.
Hvad har forskerne gjort?
Efter at have udført et eksperiment i et underjordisk laboratorium,videnskabsmænd har ikke fundet beviser for en krænkelse af Pauli-princippet. Dette udelukker nogle modeller af kvantetyngdekraft. Med andre ord, fysikere fangede ikke det "forbudte" signal. I hvert fald for nu.
Også, som en del af projektet, analyserede fysikereforudsigelser af Poincaré theta-modellen og udelukkede nogle versioner af modellen på Planck-skalaen (skalaen, hvor de kendte klassiske tyngdelove overtrædes). Derudover modsiger deres analyse nogle specifikke implementeringer af kvantetyngdekraften.
Hvad er næste?
Forskerne planlægger nu at udvide deres forskning tilandre modeller af kvantetyngdekraft sammen med kinesiske fysikere. De vil bruge nye materialer og analysemetoder til at søge efter svage signaler for at "afsløre rumtidens struktur," forklarer forfatterne af eksperimenterne.
"Det interessante er, at vi kan udforske noglemodeller af kvantetyngdekraft med så høj nøjagtighed, at det er umuligt at lave på moderne acceleratorer,” konkluderer forskerne. "Dette er et stort spring både teoretisk og eksperimentelt."
Læs mere:
17-årig ingeniør kom med en magnetløs motor: den kan bruges i elektriske køretøjer
To planeter er blevet fundet ikke langt fra Jorden. Måske er de beboede
En unik meteor omskrev solsystemets historie: hvor kom den fra
Forsidefoto: Wikipedia